§33. Қайтымды және қайтымсыз процестер

1.Жалпы және дәл қайтымды процестер. Қандай да бір процестің нәтижесінде жүйе А күйінен В күйіне өтсе және жүйені қандай да бір жолмен қайтадан А күйіне басқа денелерде ешқандай өзгерістер болмайтындай қайтаруға мүмкін болса, онда мұндай процесті қайтымды процесс деп атаймыз. Егер жүйені бастапқы күйіне қайтару мүмкін болмаса, онда ондай процесс қайтымсызпроцесс деп аталады. Қайтымсыз процестің мысалы ретінде, жылудың көбірек қызыдырылған денеден азырақ қыздырылған денеге өтуін қарастыруға болады. Мұндай процестің қайтымсыз екендігі Клаузиус постулатынан шығады.

Егер жүйені соңғы В күйден бастапқы А күйге А→В тура процесіндегі күйлер тізбегінен дәл кері бағытта өтуін талап етпесек және жүйе кез келген әдіспен бастапқы күйге оралатын болса, онда мұндай процесті жалпы қайтымды процесс деп атаймыз. Егер жүйе бастапқы А күйіне В→А кері процесімен тура процестегі күйлер тізбегімен кері бағытта оралатын болса, онда А→В процесі дәл қайтымды процесс болып табылады.

2.Қайтымды процесс – квазистатикалық. Дәл қайтымды процестің квазистатикалық процесс болатындығы айқын. Себебі, квазистатикалық емес процесс қандай да бір жылдамдықпен өтеді. Егер процесс жылдамдығы нөлден артық болса, онда жылдамдық жүйенің күйін сипаттайтын параметрлердің біріне айналады. Бұл кезде тура және кері процестердің жылдамдықтары әртүрлі болғандықтан кері бағыттағы күйлер тізбегі тура бағыттағы тізбектен өзгеше болады. Күйлер тізбегі арасындағы айырма тек қана процесс квазистатикалық болғанда жойылады.

Керісінше, егер жүйенің ішкі параметрлері тепе-теңдік күйде сыртқы шарттармен бірмәнді анықталатын болса, онда кез келген квазистатикалық процесс дәл қайтымды процесс болып табылады.

Бақылау сұрақтары:

1. Қайтымды және қайтымсыз процестерді түсіндіріңіз және мысалдар келтіріңіз.

2. Жалпы және дәл қайтымды процестерді түсіндіріңіз.

3. Квазистатикалық процесс қайтымды процесс пе әлде қайтымсыз процесс пе?

§34. Термодинамиканың екінші бастамасының әр түрлі тұжырымдамалары

1 .Жылу машинасының пайдалы әсер коэффициенті.Жылу машинасын қарастырайық (26-сурет). Машинаның цилиндрінде жұмыс газы болсын. PV диаграммасында жұмыстық дененің бастапқы күйі 1 нүктесімен белгіленсін (27-сурет). Цилиндрдің табанын қыздырғышпен түйістіреміз. Газ қызып, көлемі ұлғаяды. Газдың ұлғаю процесі 1a2жолымен өтеді. Жұмыстық дене қыздырғыштан жылу мөлшерін алып оң жұмыс жасайды. Термодинамиканың бірінші бастамасына сәйкес

(34.1)

Енді поршенді бастапқы күйіне алып келу керек, ол үшін газды сығамыз. Газды сығуға жұмсалған жұмысы –ден аз болатындай болуы керек. Ол үшін біз цилиндрді суытқышпен жанастырамыз. Газдың сығылу процесі 2b1 жолымен өтеді. Нәтижесінде газ бастапқы күйіне келеді. Жұмыстық газ суытқышқа -жылу мөлшерін береді. Термодинамиканың бірінші заңына сәйкес

(34.2)

(34.1) және (34.2) теңдеулерден

екендігі шығады.

Жылулық машиналардың тиімділігін пайдалы әсер коэффициенті (ПӘК) арқылы сипаттайды. ПӘК жылу машинасының пайдалы жұмысының сол жұмысты орындауға жұмсалған энергия мөлшеріне қатынасымен анықталады:

(34.2)

мұндағы -жылу машинасының пайдалы әсер коэффициенті.

2. Екінші текті перпетуум мобиле. Суытқышы жоқ периодты жұмыс жасайтын жылу машинасы мүмкін бе? Сонымен , ал . Бұл жағдайда машина сырттан алған жылулық энергияны толық механикалық жұмысқа айналдырады. Мұндай машинаны жасау энергияның сақталу заңына қайшы емес. Мұндай машинаны Вильгельм Оствальд (1853-1932) екінші текті перпетуум мобиле деп атады.

Карно мұндай машинаның мүмкін еместігін түсінді. Көптеген тәжірибелер екінші текті перпетуум мобилені жасау мүмкін еместігін көрсетті. Сондықтан екінші текті перпетуум мобиленің мүмкін еместігі постулат ретінде қабылданған. Ол постулат термодинамиканың екінші бастамасының постулаты деп аталады.

3. Вильям Томсон (лорд Кельвин) 1851 жылы термодинамиканың екінші бастамасының мынадай тұжырымдамасын берді. «Бір ғана нәтижесі жылулық резервуарды салқындату есебінен жұмыс жасайтын дөңгелек процесс мүмкін емес». Басқаша тұжырымы: «Бір ғана нәтижесі жылу резервуарының ішкі энергиясының кемуі есебінен жұмыс жасайтын дөңгелек процесс мүмкін емес».

4. Термодинамиканың екінші бастамасының басқаша тұжырымдамасын М.Планк берді (1858-1947): «Бір ғана нәтижесі жылулық резервуарды салқындату есебінен жүкті көтеру болып табылатын периодты жұмыс жасайтын жылу машинасын жасау мүмкін емес».

Томсон және Планктың постулаттарының мағынасы бірдей. Сондықтан бұл постулаттарды көбіне Томсон-Планк постулаты деп біріктіре айтады.

5. Клаузиус (1822-1888) 1850 жылы осы постулаттың басқаша тұжырымдамасын ұсынды: «Жылу азырақ қыздырылған денеден көбірек қыздырылған денеге өздігінен өтуі мүмкін емес». Жылудың азырақ қыздырылған денеден көбірек қыздырылған денеге берілу процесін Клаузиус процесі деп атайды. Демек, бұл постулат Клаузиус процесі мүмкін еместігін көрсетеді. Клаузиус постулаты жылуды азырақ қыздырылған денеден көбірек қызыдырылған денеге беру тіптен мүмкін емес демейді. Бұл процесс тек басқа денелерде ешқандай өзгерістер болмағанда ғана орындалмайды.

Бақылау сұрақтары:

1. Жылу машинасының пайдалы әсер коэффициенті қалай анықталады?

2. Екінші текті перпетуум мобиленің жұмыс істеу принципін түсіндіріңіз.

3. Термодинамиканың 2-ші бастамасының Вильям Томсон (лорд Кельвин) берген анықтамасын айтыңыз.

4. М.Планк берген термодинамиканың 2-ші бастамасының анықтамасын айтыңыз.

5. Термодинамиканың 2-ші бастамасының Клаузиус тұжырымдамасын айтыңыз.